激光織構凸起對316L不銹鋼摩擦性能的影響

供稿人：孫嘯宇、張航
供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室
來源：中國機械工程學會增材制造技術（3D打?。┓謺?br />
武漢特種表面保護材料及應用技術國家重點實驗室的Wen-Xuan Li等人采用激光加工技術在316L不銹鋼表面制備了三種形狀織構（凹槽、方坑、圓坑），并對部分織構表面凸起進行了拋光處理（如圖1所示），目的是研究加工凸起對316L不銹鋼材料在不同工況和織構形狀下表面摩擦學性能的影響，并提出了相關磨損機理。

圖1 三種激光加工制備的表面：（a）—（c）未拋光表面，（d）—（f）拋光表面

作者將這三種織構分為兩組：拋光組和未拋光組，將他們和沒有織構的表面一起在干摩擦、油潤滑和海水潤滑三種工況下，用摩擦磨損試驗機進行測試。發(fā)現(xiàn)在所有工況下，拋光和未拋光的織構試樣的摩擦系數(shù)均比無織構的試樣更快達到穩(wěn)定，且未拋光的織構試樣達到穩(wěn)定所需的時間最短。

其次測試還發(fā)現(xiàn)在所有工況下，保留激光加工凸起可以提高316L不銹鋼表面的耐磨性，其中油潤滑條件下的磨損減少量最大，為90.7%。主要原因有兩點：1、激光加工過程極速的升溫和冷卻，使得表面硬化，提高了耐磨性；2、在油潤滑條件下，加工凸起增加了織構儲油量，增強了流體動壓效應，從而有效地提高了材料表面的耐磨性。（如圖2所示）

圖2 三種織構的拋光和未拋光試樣與無織構基底試樣在油潤滑條件下的磨損痕深度

作者接著對測試造成的磨損形貌和磨損機理進行分析，指出在干摩擦工況下，拋光和未拋光試樣表面的磨損機理都以粘著磨損為主，磨損量最大；在油潤滑工況下，表面磨損機理為磨粒磨損，磨損量減?。辉诤Ｋ疂櫥r下，表面磨損機理同樣為磨粒磨損，磨損量是三種工況中最小的。（如圖3所示）

圖3 表面織構試樣在海水潤滑工況下拋光表面(a)、(c)、(e)和未拋光表面(b)、(d)、(f)表面磨損形貌

激光表面紋理加工不可避免地會產生邊緣凸起。目前，激光加工凸起一般采用直接拋光的方法去除，但是這種方法忽略了表面凸起對摩擦副的影響。通過本文的研究，激光加工凸起對于摩擦性能來說具有積極作用，因此在一些特殊應用場景和工況下，如海底等，可以視情況減少材料表面的拋光工序，在提升經濟性的同時，提高材料表面的耐磨性。

參考文獻：
Li W-X, Liu Y, Duan H-T, et al. Effect of laser texturing bulges on tribological properties of 316L stainless steel[J]. Surface Topography: Metrology and Properties, 2023, 11(1).